CN103305800B - 一种磁控溅射设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁控溅射设备，其包括反应腔室、射频线圈以及线圈射频电源，所述射频线圈环绕于所述反应腔室的侧壁设置，并与所述线圈射频电源连接，其中，在所述射频线圈的外侧设有用于使所述射频线圈产生的磁场偏向所述反应腔室的中心线分布的汇聚磁体，所述汇聚磁体采用频率范围与所述射频电源的工作频率匹配的软磁铁氧体材料制成。本发明提供的磁控溅射设备借助汇聚磁体可以改变射频线圈产生的磁力线的分布状况，从而可以提高射频能量的利用率，同时可以减少反应腔室的环境污染和靶材的浪费。

Description

一种磁控溅射设备

技术领域

本发明涉及微电子加工技术领域，具体涉及一种磁控溅射设备。

背景技术

在微电子产品行业，磁控溅射技术是生产集成电路、液晶显示器、薄膜太阳能电池及LED等产品的重要手段之一，在工业生产和科学领域发挥着重要的作用。尤其是近年来，由于市场对高质量产品日益增长的需求，促使企业对磁控溅射设备进行不断地改进。

图1为现有的磁控溅射设备的结构简图。如图1所示，磁控溅射设备包括反应腔室10、下电极14、靶材11、磁控管12以及射频线圈13。其中，下电极14设置在反应腔室10内部的下方位置，下电极14依次与下电极射频匹配器18和下电极射频电源19连接。靶材11设置在反应腔室10的顶部且与下电极14相对，靶材11与直流电源17连接。磁控管12设置在靶材11的上方。射频线圈13设置在反应腔室10的侧壁上且位于反应腔室10的内部，射频线圈13依次与射频匹配器15和线圈射频电源16连接。

射频线圈13利用线圈射频电源16的射频能量在其周围产生变化的电磁场，该电磁场可以在反应腔室10内激发出高密度的感应耦合等离子体。但是，在工艺过程中，射频线圈13所产生的磁场的磁力线131是以射频线圈13的轴线为中心呈辐射状分布，如图2所示。这一方面使得位于反应腔室10外侧的磁力线不能被利用，造成射频能量的浪费；另一方面导致反应腔室10内的磁场强度不能满足工艺要求。尽管可以通过提高射频线圈13上的射频功率来增加反应腔室10内的磁场强度，但这又会增加射频线圈13热损耗，同时提高等离子体电位，从而导致部分金属离子轰击腔室壁，不仅污染了反应腔室的环境，而且造成了靶材的浪费。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种磁控溅射设备，其可以改变射频线圈产生的磁力线的分布状况，改善腔室中等离子体特性，提高射频能量的利用率。

为实现本发明的目的而提供一种磁控溅射设备，包括反应腔室、射频线圈以及线圈射频电源，所述射频线圈环绕于所述反应腔室的侧壁设置，并与所述线圈射频电源连接，其特征在于，在所述射频线圈的外侧设有用于使所述射频线圈产生的磁场偏向所述反应腔室的中心线的汇聚磁体，所述汇聚磁体采用软磁铁氧体材料制成，而且所述软磁铁氧体材料的频率范围与所述射频电源的工作频率匹配。

其中，所述汇聚磁体包括向所述反应腔室中心线方向延伸的两个凸部以及连接所述凸部的连接部，两个所述凸部与所述连接部形成一凹部，所述射频线圈设置在所述凹部内。

其中，所述射频线圈的匝数为至少一圈。

其中，所述汇聚磁体为一体结构。

其中，所述汇聚磁体为分体式结构，其包括n个软磁铁氧体组件，n为大于或等于2的整数，n个所述软磁铁氧体组件拼接成所述汇聚磁体。

其中，所述射频电源的工作频率范围为2MHz，所述汇聚磁体的材料包括NiZn。

优选地，所述射频线圈环绕于所述反应腔室的侧壁的外侧。

其中，在所述反应腔室的侧壁的外侧设有屏蔽罩，所述屏蔽罩与所述反应腔室的侧壁外侧形成一封闭空间，所述射频线圈以及汇聚磁体设置于所述封闭空间内。

其中，所述射频线圈环绕在所述反应腔室的侧壁的内侧设置，对应地，所述汇聚磁体设置在所述反应腔室的侧壁与所述射频线圈之间。

优选地，在所述反应腔室的内侧还设有介质桶，所述介质桶采用陶瓷或石英材料制作而成。

其中，所述汇聚磁体为多个，并且同轴叠置在所述反应腔室的侧壁。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的磁控溅射设备，其在射频线圈的外侧汇聚磁体，而且汇聚磁体采用频率范围与射频电源的工作频率匹配的软磁铁氧体制成，借助该汇聚磁体可以将射频线圈所产生的磁场偏向反应腔室的中心线分布，一方面可以充分地利用射频线圈产生的磁力线，从而在反应腔室内获得更高的磁场强度，进而提高射频能量的利用率；另一方面，与现有技术相比，无需提高射频功率即可在反应腔室内获得所需的磁场强度，从而可以避免因提高射频功率而带来的诸如增加了射频线圈的热损耗以及提高了等离子体电位的问题，减少了反应腔室的环境污染和靶材的浪费。

附图说明

图1为现有的磁控溅射设备的结构简图；

图2为射频线圈的磁场分布示意图；

图3为本发明提供的磁控溅射设备的截面图；

图4为图3中所示的射频线圈的磁场分布的示意图；

图5为分体式结构的汇聚磁体的局部示意图；以及

图6为本发明变型实施例同轴叠置多个射频线圈时磁场分布的示意图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的磁控溅射设备进行详细阐明。

图3为本发明提供的磁控溅射设备的截面图。请参阅图3，磁控溅射设备包括反应腔室30、下电极34、靶材31、磁控管32以及射频线圈33。下电极34设置在反应腔室30内部的下方位置，下电极34依次与下电极射频匹配器38和下电极射频电源39连接。靶材31设置在反应腔室30的顶部且与下电极34相对，靶材31与直流电源37连接。在靶材31的上方设有用以提高靶材溅射速率的磁控管32。射频线圈33环绕在反应腔室30的侧壁的外侧，并依次与线圈匹配器35和线圈射频电源36连接。射频线圈33的匝数可以根据实际工艺的需要设置一匝或多匝。在工艺过程中，射频线圈33利用线圈射频电源36的射频能量在其周围产生变化的电磁场，以在反应腔室30内激发出高密度的感应耦合等离子体。

在本实施例中，在射频线圈33的外侧设有汇聚磁体20，汇聚磁体20采用软磁铁氧体材料制成，而且软磁铁氧体材料的频率范围与线圈射频电源36的工作频率匹配，例如，当所使用的线圈射频电源36的工作频率为2MHz时，软磁铁氧体材料为频率范围为100KHz～100MHz的锌化镍(NiZn)。

图4为图3中所示的射频线圈的磁场分布的示意图。请参阅图4，在本实施例中，汇聚磁体20为一体式结构，汇聚磁体20包括向反应腔室30的中心线方向延伸的两个凸部201、202以及连接两个凸部201、202的连接部203，连接部203和两个凸部201、202形成凹部，换言之，汇聚磁体20在射频线圈33的轴向截面上的形状为“凹形”。射频线圈33设置在该凹部内。在使用中，由于汇聚磁体20的磁阻较小，磁力线容易穿过汇聚磁体20内，受其影响，射频线圈33产生的磁力线不再呈对称的辐射状分布，而是以汇聚磁体20的凸部201、202为磁极形成闭合的磁力线，从而使射频线圈33产生的磁力线331尽可能地偏向反应腔室30的中心线分布，一方面，在输入射频线圈功率相同的情况下，汇聚磁体20可以使射频线圈33产生的磁力线充分利用，从而在反应腔室内获得更高的磁场强度，进而提高线圈与等离子体的感应耦合强度，提高射频能量的利用率；另一方面，与现有技术相比，产生能量大致相同的等离子体时，在反应腔室30内获得相同磁场强度所需的射频功率较小，即降低了射频线圈33的电压，从而降低了反应腔室内等离子体的电位，进而降低了等离子体在反应腔室的室壁的鞘层电压，这可以减少金属离子对反应腔室的轰击，从而减少靶材沉积在反应腔室的室壁上，进而提高靶材的利用率，降低生产成本。射频线圈33电压的降低可以减少线圈与等离子体之间的耦合，提高能量耦合的效率；而且，还可以降低线圈上的电流，从而减少线圈的发热量，减少能量损失，同时提高设备的安全性。

本实施例在反应腔室30的侧壁的外侧还设有屏蔽罩21，屏蔽罩21与反应腔室30的侧壁外侧形成一封闭空间，射频线圈33和汇聚磁体20设置在该封闭空间内。借助屏蔽罩21将射频线圈33和汇聚磁体20包围起来，能够防止射频线圈33产生的电磁场向外界扩散，从而避免了对磁控溅射设备周围其它设备的干扰。

还需要说明的是，在本实施例中，汇聚磁体20在射频线圈33的轴向截面上的形状为“凹形”，但在实际应用中并不局限于此，汇聚磁体20在射频线圈33的轴向截面上的形状还可以为诸如“C形”等其它形状，只要是能够使射频线圈33产生的磁力线331偏向反应腔室的中心线分布的形状，均能够达到本发明的目的，应视为本发明的保护范围。

在本实施例中，汇聚磁体20为一体式结构，但在实际应用中，汇聚磁体20还可以采用分体式结构。如图5所示，为分体式结构的汇聚磁体的局部示意图，分体式结构的汇聚磁体20包括n个软磁铁氧体组件204，n为大于或等于2的整数，n个所述软磁铁氧体组件204拼接成汇聚磁体20。而且，在实际应用过程中，分体式结构的汇聚磁体20具有便于加工的优点。

此外，在本实施例中，虽然射频线圈33环绕在反应腔室30的侧壁的外侧，然而，射频线圈33也可以环绕于反应腔室30的侧壁的内侧。与之对应，汇聚磁体20设置在反应腔室30的侧壁与射频线圈33之间，此时汇聚磁体20同样能够达到使射频线圈33产生的磁力线偏向于反应腔室30的中心线分布的目的。但是，将射频线圈33环绕在反应腔室30的外侧可以避免等离子体腐蚀射频线圈33，这不仅能够提高射频线圈33的使用寿命，而且能够减少因射频线圈33被溅射而对反应腔室30的污染和靶材31的浪费。

在本实施例中，紧靠反应腔室30内侧还设有介质桶(图中未示出)，该介质桶由陶瓷或石英材料制成。介质桶可以避免等离子体对反应腔室30的室壁的刻蚀和污染，从而提高室壁的使用寿命。

作为本实施例的一个变型实施例，如图6所示，当磁控溅射设备设置有三个射频线圈33时，对应地设置三个汇聚磁体20，三个汇聚磁体20同轴叠置，而且三个射频线圈33分别对应地设置在一个汇聚磁体20的凹部。当然，在实际应用中，三个射频线圈33也可以同轴叠置在同一个汇聚磁体20的凹部。不管采用哪种设置方式，均可以使磁力线发生偏移，即，使射频线圈产生的磁场偏向反应腔室的中心线。

不难理解，当反应腔室的外侧或内侧同轴叠置多个射频线圈时，可以设置与射频线圈数量对应的汇聚磁体20，多个汇聚磁体20同轴叠置，而且每个汇聚磁体20的凹部对应地设置一射频线圈33。也可以将多个射频线圈33同轴叠置在同一个汇聚磁体20的凹部。

本发明提供的磁控溅射设备，通过在射频线圈的外侧设有汇聚磁体，而且汇聚磁体采用频率范围与射频电源的工作频率匹配的软磁铁氧体制成，借助该汇聚磁体可以将射频线圈所产生的磁场偏向反应腔室的中心线分布，改善腔室中等离子体特性，提高射频能量的利用率，带来以下有益效果：

1.充分地利用射频线圈产生的磁场，从而在反应腔室内获得更高的磁场强度，进而提高射频能量的利用率；同样大小的射频功率可激发密度更高的等离子体，实现更高的金属原子离化率；

2.降低了产生同样强度等离子体时射频线圈的工作电流，使得线圈上的能量损耗更小，还提高了设备的安全性；

3.由于降低了线圈上的电压分布，可以大大降低腔室中等离子体电位，减少因射频线圈被溅射而对反应腔室的污染和靶材的浪费；

4.由于降低了线圈上的电压分布，可以大大降低腔室中等离子体电位，使得等离子体在周围器壁的鞘层电压大大减小可以显著减少腔室中金属离子向器壁的轰击，显著降低靶材材料在器壁上的沉积率，提高溅射出的靶材材料的利用率，降低工艺成本。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种磁控溅射设备，包括反应腔室、射频线圈以及线圈射频电源，所述射频线圈环绕于所述反应腔室的侧壁设置，并与所述线圈射频电源连接，其特征在于，在所述射频线圈的外侧设有用于使所述射频线圈产生的磁场偏向所述反应腔室的中心线的汇聚磁体，所述汇聚磁体采用软磁铁氧体材料制成，而且所述软磁铁氧体材料的频率范围与所述射频电源的工作频率匹配。

2.根据权利要求1所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述汇聚磁体包括向所述反应腔室中心线方向延伸的两个凸部以及连接所述凸部的连接部，两个所述凸部与所述连接部形成一凹部，所述射频线圈设置在所述凹部内。

3.根据权利要求2所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述射频线圈的匝数为至少一圈。

4.根据权利要求1所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述汇聚磁体为一体结构。

5.根据权利要求1所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述汇聚磁体为分体式结构，其包括n个软磁铁氧体组件，n为大于或等于2的整数，n个所述软磁铁氧体组件拼接成所述汇聚磁体。

6.根据权利要求1所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述射频电源的工作频率范围为2MHz，所述汇聚磁体的材料包括NiZn。

7.根据权利要求1所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述射频线圈环绕于所述反应腔室的侧壁的外侧。

8.根据权利要求7所述的磁控溅射设备，其特征在于，在所述反应腔室的侧壁的外侧设有屏蔽罩，所述屏蔽罩与所述反应腔室的侧壁外侧形成一封闭空间，所述射频线圈以及汇聚磁体设置于所述封闭空间内。

9.根据权利要求1所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述射频线圈环绕在所述反应腔室的侧壁的内侧设置，对应地，所述汇聚磁体设置在所述反应腔室的侧壁与所述射频线圈之间。

10.根据权利要求1所述的磁控溅射设备，其特征在于，在所述反应腔室的内侧还设有介质桶，所述介质桶采用陶瓷或石英材料制作而成。

11.根据权利要求2或3所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述汇聚磁体为多个，并且同轴叠置在所述反应腔室的侧壁。